家用剩余电流动作断路器失效分析

胡建平，庞文益

（1.湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳 421002；2.德力西施耐德电器，上海 201707）

随着国家电力系统改造的进行，用电安全日益被重视，剩余电流动作断路器（RCCB）已成为保护人身安全、火灾防止的重要终端保护电器。电磁式剩余电流动作断路器因其保护动作与电网电压无关被广泛使用［1-2］。因此剩余电流动作断路器动作的可靠性越来越受到人们的重视。国家针对剩余电流动作断路器的可靠性提出了专门的试验标准，以确保其可靠动作。其中GB 16916.1—2003《家用和类似用途的不带过电流保护的剩余电流动作断路器（RCCB）第1部分：一般规则》和GB 16917.1—2008《家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器（RCBO）第1部分：一般规则》对剩余电流动作断路器做出了全套相关试验规定。相关研究人员也做了许多改进研究，但仅限于对电子式剩余电流动作断路器的线路板［3-4］或互感器的设计改进［5-7］等局部研究，很少对RCCB进行系统性的可靠性研究。本文参照国标中的相关规定，对RCCB进行气候试验、寿命试验。模仿产品在正常工作时的工作环境，对其可靠性进行试验验证。对试验中的失效RCCB进行失效机理分析，探究RCCB在使用中的各种失效原因。

1 RCCB原理与结构

1.1 电磁式RCCB工作原理

电磁式RCCB原理图如图1所示，其核心部件由主电路、剩余电流检测互感器、电磁脱扣器（EMR）、操作机构等构成。主电路中的漏电信号通过电流互感器检测出来后，通过电互感器二次侧绕组将信号传递给电磁脱扣器。当剩余电流信号值达到产品整定值时，脱扣器顶杆推动操作机构锁扣，使RCCB动作，从而完成电路主电路分断任务［8］。

1.2 电磁式脱扣器（EMR）

图1 电磁式RCCB原理图

EMR由永久磁铁、磁轭、衔铁、EMR线圈、反力弹簧、顶杆等零件组成，具体结构如图2所示。在开关闭合时，线圈中无电流，永久磁铁吸力大于弹簧反力，磁轭与衔铁吸合。当EMR线圈中有电流流过时，当电流达到整定值时，线圈产生足够磁场，此磁场与永久磁铁产生的磁场抵消，电磁吸力小于弹簧反力，EMR动作。

图2 电磁式脱扣器结构图

1.3 操作机构

操作机构主要由支架、弹簧、跳扣、推杆、锁扣、杠杆、手柄等组成，具体结构如图3所示。在产品闭合时，跳扣咬住锁扣，形成四连杆机构。整个机构处于储能状态。当产品动作时，EMR顶杆推动推杆，跳扣与锁扣分离，四连杆机构瓦解。正常情况下，机构的脱扣力为0.2～0.4N。

图3 RCCB操作机构结构图

2 试验项目

2.1 气候试验

选正常出厂的12台（2P／30mA）RCCB委托给上海低压电器研究所按GB 16916.1—2008程序G的规定进行气候可靠性试验。可靠性试验周期如图4所示。对试后品按如下方法做了测试：①按国家标准要求对试品通以1.25IΔn试验电流验证产品的动作正确性；②直接检测每只试品的具体剩余电流动作值，对试品试验前后的剩余电流动作值进行比较，并计算试品试验前后的电流波动幅度；③对试品试验前后的操作机构脱扣力进行测量记录，脱扣力测量位置如图5所示。试验数据偏差最大的6只试品数据如表1所示。

图4 气候可靠性试验周期

图5 脱扣力测试点

从表1中可以得知，正常出厂的产品在进行气候试验后可能出现不动作。当对其具体动作电流值进行测量时，产品的第一次剩余动作电流整定值变大，部分产品动作电流值远大于标准规定的37.5mA（1.25IΔn）而造成产品的不动作，之后产品恢复正常动作能力；操作机构的脱扣力也存在第一次偏大现象，而后恢复正常。

表1 RCCB气候试验前后动作电流、脱扣力

2.2 寿命试验

选正常出厂的3台（2P／30mA）RCCB依据GB16916.1—2008程序D中9.10试验条款，开始1 000次操作循环用手动操作件进行断开操作（不带电操作）；接着500次操作循环用RCCB中试验装置进行操作；最后500次操作循环在一极通以IΔn的剩余动作电流进行断开操作。对试后产品的剩余动作电流值及操作机构脱扣力进行测量，具体测量数见表2。从表2中可以看出，RCCB在进行寿命试验后产品操作机构的脱扣力全部下降，其中8号试品出现滑扣失效。两只试品的剩余动作电流上升。

表2 RCCB寿命试验前后动作电流、脱扣力

2.3 防尘试验

由于剩余电流动作断路器相关标准中暂无防尘试验相关标准，所以参照国家标准GB4208—2008中有关粉尘试验相关标准。选正常出厂的3台（2P／30mA）RCCB放进IPX5、6防尘试验机进行IP20等级的粉尘试验。对试后产品的剩余动作电流值及操作机构脱扣力进行测量，具体测量数见表3。从表3中可以看出。RCCB在进行IP20等级的粉尘试验后，所有产品都无法动作，产品操作机构脱扣力非常大，超出了脱扣器的冲击力，使得产品严重失效。

3 失效分析

从试验结果可以得出，RCCB失效的可能原因主要有3个：产品脱扣力变大或变小、EMR整定电流变大、剩余电流检测互感器信号变少。

3.1 机构脱扣力变化

从试验结果可以得出两种原因可以使RCCB机构脱扣力变大：一是机构内部构件受潮膨胀，导致配合过紧所致；二是粉尘进入机构内部，导致活动部位配合过紧摩擦力增大所致。而脱扣力变少则是由于机构磨损严重，导致配合过松所致。根据以上判断，取脱扣力变化的支架，利用三坐标测量仪对机构内部的部件尺寸进行测量，发现所有尺寸都符合图纸要求，因此机构尺寸设计没有问题，为进一步研究机构部件之间的配合公差。对整个机构的四连杆进行了尺寸计算书的计算验证，以验证配合公差的正确性。本文仅以跳扣、锁扣的尺寸计算书为例，操作机构运行中的2种状态如图6所示。

图6 操作机构运行中的2种状态

在图6中，6位置表示闭合状态，5位置为断开状态。脱扣器的顶杆推动机构的推杆，而推杆与杠杆连成一杆件传动使杠杆偏转，造成锁扣支点瓦解，操作机构脱扣。因此，本机构脱扣力与脱扣行程的大小与锁扣与杠杆的搭扣尺寸有直接关系，在图6中表示为a。依据机构闭合图样原始数据分析（根据操作机构的脱扣行程为1.70 mm），7.90mm为推杆中心到其与杠杆接触点的距离，图样上标示为未注公差。b表示推杆与杠杆接触点在EMR顶杆运动1.7mm后的距离，55°为推杆上两运动点与转动圆心的夹角。111°为杠杆臂到转动圆心之间的夹角。尺寸a的大小直接影响脱扣力和脱扣行程的变化量。

分析1：当其他尺寸取名义尺寸，推杆φ2.5的尺寸取下偏差。尺寸变化情况如图7所示。

图7 推杆φ2.5的尺寸取下偏差

当2.5的尺寸取下偏差2.52时，推杆转动角度为arctg（1.72／10.5）=9°18’，根据勾股定律，尺寸b的变化量=2.52xsin9°18’=0.403mm，尺寸a的变化量=0.403xsin111°=0.377mm。

分析2：当其他尺寸取名义尺寸，2.5的尺寸取上偏差2.57，尺寸变化情况如图8所示。而当2.5的尺寸取下偏差2.57时，推杆转动角度为arctg（1.77／10.5）=9°38’，根据勾股定律，尺寸b的变化量=2.57xsin9°38’=0.426mm，尺寸a的变化量=0.426xsin111°=0.398mm。

图8 推杆φ2.5的尺寸取上偏差

因此，当推杆φ2.5尺寸分别取上下差时推杆跟杠杆的搭扣尺寸变化量为0.398-0.377=0.021（mm），所以此尺寸公差改变对参数影响不大。保持原有公差。

分析3：当其他尺寸取名义尺寸，杠杆φ2.5的尺寸取下偏差2.52。尺寸变化情况如图9所示。从图9中可以看出，这些公差的大小直接关系到尺寸a的变化量a=0.07-0.02=0.05（mm）。

图9 杠杆φ2.5的尺寸取下偏差

因此，当杠杆φ2.5尺寸分别取上下差时超程和开距变化量为0.070-0.022=0.048（mm），所以此尺寸公差改变对参数影响大。保持原有公差，但此尺寸公差要严格控制。

分析4：当其他尺寸取名义尺寸，7.90的尺寸取上偏差8.14，尺寸变化情况如图10所示。当7.9的尺寸取上偏差8.14时，触头支持转动角度为arctg（1.7／10.5）=9°12’，根据勾股定律，尺寸b变化量=8.14cos9°12’=8.03mm，尺寸a的变化量=8.03xsin111°=7.496mm。

图10 7.90的尺寸取上偏差8.14

分析5：当其他尺寸取名义尺寸，7.9的尺寸取下偏差7.66，尺寸变化情况如图11所示。当7.9的尺寸取下偏差7.66时，触头支持转动角度为arctg（1.7／10.5）=9°12’，根据勾股定律，尺寸b变化量=7.66xcos9°12’=7.56，尺寸a的变化量=7.56xsin111°=7.05mm。

因此，当7.9±0.24尺寸分别取上下差时杠杆与锁扣的搭扣尺寸变化量为7.496-7.05=0.489（mm）。

图11 7.9的尺寸取下偏差7.66

所以此尺寸公差改变对参数影响较大，建议更改为±0.10mm。

3.2 EMR整定电流变大

由试验可知，RCCB正常工作时，其剩余动作电流可能会增大，出现不动作。通过对EMR进行受力分析，对EMR中的磁路建立模型，可以推出EMR的吸力公式：

式中Um——永久磁动势；PC——导磁系数；I2——线圈电流；W2——线圈匝数；Pcm——永久磁铁与线圈交链的平均磁通；PCC——线圈的磁导系数。

由吸力公式，可以绘制出EMR的动作特性图，见图12。

图12 EMR的动作特性图

由于机构的脱扣力为0.2～0.4N。从EMR的动作特性图中可以看出，正常时当机构的脱扣力等于0.4N时，EMR的衔铁开始释放。如果机构的脱扣力大于0.4N时，衔铁的释放电流就会随之增大，直至无法脱扣。这也说明了RCCB在试验过程中第一次脱扣电流变大的现象。

4 结语

在正常使用中，RCCB失效的主要原因是机构的脱扣力变化，导致脱扣器无法使操作机构瓦解。本文通过试验验证了脱扣力变大是RCCB失效的主要原因，通过对操作机构的尺寸计算书，验证了公差配合的重要性及合理性。通过对EMR的脱扣特性分析，验证了RCCB存在第一次动作电流偏大现象。这要求在RCCB安装使用过程中，一定要做好防尘工作。同时定期或不定期使用RCCB的试验按钮，以保证RCCB的正常使用。

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